תכן מכני להדפסה תלת מימדית

February 11, 2018

טכנולוגית ההדפסה התלת מימדית קיימת כבר מעל ל 30 שנה, אך רק בשנים האחרונות היא זוכה לפופולריות רבה, בעיקר בגלל חדירת הטכנולוגיה לשוק הפרטי (שנובעת מהורדת מחירים בגלל תפוגה של פטנטים של כמה מהחברות המובילות בשוק כיום). אנחנו שומעים בחדשות ובאתרי טכנולוגיה שונים נבואות על כך שטכנולוגיה זו הולכת לשנות את העולם, ולעיתים היא מקבלת הילה של טכנולוגית פלא שתפתור את כל הבעיות של כל טכנולוגיות הייצור הקיימות כיום. לצערנו, כמו כל טכנולוגיה, גם לטכנולוגית הדפסת תלת מימד יש יתרונות וחסרונות, וכמו כל טכנולוגיית ייצור אחרת, יש מקרים שבהם הדפסה תלת מימדית היא פתרון מושלם, יש כאלה שבהם היא תתן פתרון סביר, ומקרים אחרים שבהם הטכנולוגיה פשוט לא שמישה, ואינה יכולה להחליף טכנולוגיות קיימות. בפוסט הזה נתמקד בטכנולוגיות הדפסה תלת מימדית של פלסטיק, נסביר את היתרונות והחסרונות של כל טכנולוגיה בקצרה, ונתעמק באיך לתכנן חלקי פלסטיק כך שיתאימו להדפסה בכל אחת מהטכנולוגיות הנפוצות בשוק (MJP, SLS, SLA ו FDM).

 

מוגשת כאן סקירה קצרה על כל הטכנולוגיות הרלוונטיות, סקירה מפורטת יותר הופיע במאמר קודם שלנו:

 

 

טכנולוגיות הדפסה תלת מימדי של פלסטיק

 

SLA – זוהי הטכנולוגיה הותיקה ביותר, היא הומצאה בתחילת שנות ה 80 של המאה הקודמת. עקרון הפעולה של הטכנולוגיה הוא צילוב של פולימר נוזלי שכבה אחרי שכבה, עד לקבלת הדגם המלא. טכנולוגיה זו נמצאת כיום בשימוש נרחב בייצור של אבות טיפוס.

 

יתרונות הטכנולוגיה:

  • זמן הדפסה קצר יחסית

  • איכות פני שטח גבוהה מאוד (מתקרב לאיכות הזרקת פלסטיק, תלוי במיקום תמיכות)

  • ניתן לייצר גיאומטריות כמעט בכל גודל ורמת מורכבות, כולל פרטים קטנים ומדויקים, רזולוציה גבוהה מאוד.

  • ניתן ליישם שיטות מגוונות של גימור לחלקים המודפסים

 

חסרונות הטכנולוגיה:

 

  • תמיכות – התמיכות הן תמיכות מכניות מאותו חומר הגלם של המודל הסופי. ז"א שיש להסיר אותן מכנית, בצורה ידנית. מה שאומר שלא ניתן להסיר תמיכות בחללים שאין אליהם גישה. בנוסף, הסרת התמיכות משאירה פצעים בפני השטח (ניתן לטפל ידנית על ידי שיוף וליטוש).

  • מגוון חומרים קטן יחסית

  • חומרים יקרים

  • הדפסות פריכות – בגלל שמדובר על פוטופולימרים תרמוסטיים, החלקים המתקבלים פריכים יחסית לחומרים תרמופלסטיים.

 

FDM – זוהי טכנולוגית ההדפסה הנפוצה ביותר כיום, בגלל פשטות התהליך, ומחירם הנמוך של חומרי הגלם, והיא נגישה כמעט לכל אדם (עם מחירי מדפסות המגיעים לפחות מ 200 דולר למדפסת, וכ-20 דולר לקילו חומר גלם). עקרון הפעולה של הטכנולוגיה הוא התכה של חומר גלם תרמופלסטי (מ PLA ועד ULTEM) דרך נחיר קטן (כמה עשיריות מילימטר) והנחה של החומר שכבה אחרי שכבה עד לקבלת מוצר סופי.

 

יתרונות הטכנולוגיה:

  • עקרון פעולה פשוט, ולכן טווח המחירים רחב, ממדפסות ביתיות זולות ועד תעשיתיות מורכבות ויקרות

  • מבחר חומרי גלם עצום (PLA, ABS, PC, PEI, PP, TPU, ועוד רבים)

  • עקרון הפעולה הפשוט משמעו שניתן לתחזק את המדפסות לבד באמצעים פשוטים יחסית

  • חומרי הגלם זולים יחסית לשאר הטכנולוגיות

  • חומרי הגלם הם חומרים "אמיתיים", ז"א חומרים תרמופלסטיים הנדסיים שנמצאים בשימוש בהזרקת פלסטיק ולכן יכולים לדמות מבחינת התכונות את המוצר הסופי.

חסרונות הטכנולוגיה:

  • בגלל שיטת ההדפסה (שכבות הבנויות מקוים לא הומוגניים של חומר גלם), התכונות של המוצרים המודפסים לא הומוגניות (תכונות ב X ו Y שונות מתכונות ב Z – כיוון ההדפסה, וגם בין כל שכבה התכונות בכיווונים X ו Y יכולות להיות שונות).

  • רזולוציה נמוכה יחסית. בנוסף, הרזולוציה תלויה בגודל הנחיר שממנו יוצא החומר, אם נרצה להגדיל את הרזולוציה נצטרך להשתמש בנחיר קטן יותר, דבר שיאריך את זמן ההדפסה.

  • במידה ומדובר במדפסת פשוטה, עם נחיר בודד, חומר התמיכה יהיה מאותו חומר כמו המודל המודפס, וכך נצטרך להסיר תמיכות בצורה ידנית

  • רמת גימור פני השטח נמוכה ביחס לכל השיטות האחרות המוזכרות כאן

  • זמן ההדפסה גבוה יותר מכל השיטות המוזכרות

 

SLS – טכנולוגיה זו עושה שימוש באבקה של חומר גלם תרמופלסטי (בעיקר ניילון) ובקרן ליזה המתיכה את האבקה שכבה אחרי שכבה ליצירת המודל הסופי.

 

יתרונות הטכנולוגיה:

  • החלקים המיוצרים בטכנולוגיה זו דומים בתכונותיהם למוצרים מוזרקים – ניתנים לשימוש גם בסדרות ייצור.

  • אין צורך בתמיכות (האבקה תומכת בשכבות בזמן ההדפסה)

  • ניתן לייצר פרטים קטנים ודקים יחסית (אם כי לא כמו ב SLA, ועם גימור פני שטח פחות טוב)

חסרונות הטכנולוגיה:

  • טכנולוגיה יקרה, כיום כמעט ולא נמצאת בשימוש ביתי בגלל מורכבות מערכת ההדפסה. במכונות הגדולות דורשת מערכות תומכות יקרות (מערכות חנקן וואקום)

  • פני שטח מחוספסים יחסית לשיטות האחרות (טובים רק יותר מ FDM)

  • מגוון חומרים מוגבל וחומרים יקרים

  • ניקוי החלקים המודפסים כרוך בעבודה רבה ויצירה של הרבה לכלוך (האבקה מתפזרת בקלות בכל חלל).

 

MJP – טכנולוגיה זו עושה שימוש בראשי דיו המזריקים פוטופולימר (בדומה למדפסות הזרקת דיו רגילות) העובר צילוב שכבה אחרי שכבה ע"י אור אולטרה-סגול עד לקבלת מודל סופי

 

יתרונות הטכנולוגיה:

  • איכות פני שטח גבוהה (שני רק ל SLA)

  • ניתן לייצר גאומטריות מורכבות ופרטים קטנים – רזולוציה גבוהה

  • זמן הדפסה קצר

  • הסרת התמיכות קלה מאוד (או בשטיפה במים, או בהסרה בחום או תמיסות שונות), ומכאן שניתן להדפיס גרומטריות מורכבות ללא חשש לבעיות הסרה של תמיכות באזורים ללא גישה

חסרונות הטכנולוגיה:

  • טכנולוגיה יקרה

  • חומרים יקרים

 

תכן מכני להדפסה תלת מימדית

 

כמו כל טכנולוגית ייצור, גם לטכנולוגיות ההדפסה יש מגבלות המשפיעות על הגאומטריות הניתנות לייצור בהן, ויש להתייחס לכך בבואנו לייצר חלק המיועד להדפסה תלת מימדית, כל טכנולוגיה תשפיע בצורה אחרת על התכנון של המוצר שנרצה לייצר באצמעותה.

 

תמיכות

 

בטכנולוגיות FDM ו SLA יש חשיבות רבה למיקום התמיכות, זוהי ההשפעה העיקרית של הטכנולוגיה על התכן בשתי טכנולוגיות אלה, וזאת משום שההסרה של התמיכות בטכנולוגיות אלה היא מכנית ידנית. בנוסף, בשתי שיטות אלה, הסרת התמיכות משאירה צלקות בפני השטח, דבר שמצריך התייחסות נוספת לגיאומטריה ומיקום התמיכות.  ככלל אצבע, יש להימנע משימוש בתמיכות ככל הניתן על מנת להוריד את הצורך בעיבוד משני לאחר ההדפסה, ועל מנת לייצר חלק עם איכות פני שטח טובים יותר.

 

בטכנולוגית FDM:

 

כל שיפוע מעל ל 45 מעלות יצריך תמיכה (בשיפועים, כל שכבה נבנית בהיסט קטן מהשכבה הקודמת, כל עוד ההסט לא גדול מידי, השכבה הקודמת יכולה לתמוך בשכבה החדשה, ולכן, עד 45 מעלות, בדרך כלל התמיכה של השכבה הקודמת תספיק בשביל להדפיס שכבה חדשה ללא צורך בתמיכה).

 

הדפסת FDM בזוויות שונות

 

בזויות הקטנות מ 45 מעלות, התמיכה של השכבה הקודמת חלשה מאוד, ויהיה קשה לקבל איכות פני שטח טובה ללא תמיכות (בזויות קטנות מ 20 מעלות איכות ההדפסה תהיה ירודה מאוד, או שלא ניתן יהיה להדפיס).

 

תצורת השכבות בזווית 15 מעלות – כל שכבה נבנית על השכבה הקודמת כשיותר מחצי מהפילמנט בכל מעבר מונח באוויר

 

תצורת השכבות בזווית של 45 מעלות – כל שכבה נבנית על השכבה הקודמת כשיותר מחצי מהפילמנט בכל מעבר נתמך על ידי השכבה הקודמת

 

תצורת השכבות בזווית של 60 מעלות – כל שכבה נבנית על השכבה הקודמת כשכמעט כל הפילמנט בכל מעבר נתמך על ידי השכבה הקודמת

 

דוגמא לצורת התמיכות בהדפסת FDM

 

על מנת למזער את כמות התמיכות הנדרשות ובכך להעלות את איכות המוצר המוגמר ולחסוך בחומר גלם ובזמן הדפסה, על המתכנן לשים דגשים בבואו לתכנן מוצר שיודפס בטכנולוגית FDM. יש לנסות לייצר מוצר עם כמה שפחות overhangs (חלקים במוצר שיהיו "תלויים באוויר" בזמן ההדפסה), ולנסות לדאוג שבמידה ויש חלקים כאלה, הם מסודרים במודל כך שניתן יהיה להניח אותם על גבי משטח ההדפסה, ולמנוע הדפסה שלהם באוויר.

על מנת לנסות ולהקטין למינימום את החלקים של המודל שנמצאים באוויר, יש "לעגן" כל פרט במודל המתוכנן לחלק אחר, ובכך יתקבל מודל ש"זורם" לכיוון מגש ההדפסה, שכל חלקיו מעוגנים אחד לשני, ואין בו חלקים התלויים באוויר.  ראו תמונה למטה על האותיות Y ו T המדגימה קונספט זה. באות Y, כל פרט מעוגן לפרט שלפניו, ואין פרטים שנמצאים תלויים באוויר, לעומת האות T, שבה שתי הזרועות תלויות באוויר, מה שיכריח שימוש בתמיכות במידה ונדפיס אותה בעמידה (ניתן כמובן להשכיב את שתי האותיות וכך לייתר באופן מוחלט את הצורך בתמיכות).

 

האותיות T ו Y מדגימות כיצד יש לעגן כל פרט במודל על מנת להימנע מתמיכות. את האות Y ניתן להדפיס בעמידה ללא תמיכות, ואילו את האות T לא ניתן להדפיס בעמידה ללא תמיכות

 

סימולצית הדפסה של האותיות T ו Y, לאות Y לא נדרשות תמיכות כלל, ואילו הזרועות של האות T מחייבות תמיכות על מנת שניתן יהיה להדפיס את האות T בעמידה

 

רדיוסים גדולים הם מקור נוסף לבעיות, במקרים רבים הזווית הנוצרת מרדיוסים גדולים קטנה מ 45° ולכן הם ידרשו תמיכות ואיכות פני השטח שלהם תהיה ירודה. על כן מוטב להמעיט ברדיוסים שיודפסו ללא תמיכה מאזורים אחרים במוצר המודפס.

במידה ואין דרך להימנע מתכנון המכיל overhangs, יש לנסות ולתכננם כך שיהיו באזורים נגישים שיקלו על הסרת התמיכות בסיום ההדפסה.

במקרים רבים ניתן לפתור בעיות של overhangs על ידי הנחה מושכלת של המודל המודפס על גבי משטח ההדפסה, ובכך להקטין את זויות ההדפסה.

במידת האפשר, ואם יש צורך למנוע תמיכות בחלקים מורכבים, ניתן לחלק חלק מודפס לכמה תתי חלקים. יש לתכנן את החיתוך כך שיקטין כמה שיותר את החלקים שיהיו תלויים באוויר (overhangs) ובאותה עת ימזער את מורכבות החיבור בסיום התהליך.

 

בטכנולוגית SLA:

 

כתלות בסוג המדפסת, ישנן שתי אפשרויות להדפסה בטכנולוגיה זו. בשיטה אחת המודל המתמצק נמשך החוצה מתוך אמבט, והשכבה האחרונה שנמצאת במגע בין המודל לאמבט חומר הגלם ממוצקת ע"י קרן המגיעה מתחתית אמבט חומר הגלם. שיטה נוספת היא השקעה של המודל בתוך אמבט חומר הגלם, השכבה האחרונה נמצאת צמוד לפני השטח של הנוזל, קרן המגיעה מלמעלה ממצקת שכבה אחת, ואז המודל יורד בגובה שכבה נוספת והתהליך חוזר חלילה. על מנת לקבל הדבקה טובה של המודל המודפס למשטח ההדפסה, ועל מנת למנוע מחלקים של החלק המודפס שכבר עברו צילוב שלא לצוף בצורה חופשית באמבט חומר הגלם, כמעט תמיד נדרש סוג כלשהוא של תמיכה בהדפסת SLA. מבני התמיכה בהדפסת SLA נראים כמו ענפים עדינים של עץ, והם נוגעים בקצותם בחלק המודפס (בשטח קטן ככל הניתן על מנת לא לפגוע בהדפסה) על מנת "לתפוס" את החלקים המצולבים של המודל שלא ינועו בחופשיות.

גם בטכנולוגיה זו, הנחה מושכלת של המודל על גבי משטח ההדפסה יכולה למנוע שימוש בתומכים באזורים קריטיים, ובמידת הצורך גם חלוקה של החלק המודפס בצורה מושכלת יכולה לחסוך שימוש בתמיכות בחלקים קריטיים. גם כאן במידת האפשר יש לדאוג שחלקים המודפסים עם תמיכות יהיו נגישים על מנת שיהיה קל להסיר מהם את התמיכות ולבצע עיבודים משלימים (שיוף, פוליש) במידה ונדרש.

 

דוגמא לצורת התמיכות בהדפסת SLA

 

שיקולים נוספים

 

בהדפסת FDM יש צורך לתת לשכבה המודפסת להתקרר לפני הדפסה של השכבה הבאה. חלקים דקים במודל שלא נמצאים ליד חלקים עבים יותר נוטים להתעוות בקלות. וזאת מכיוון שחלק דק שמודפס לבדו לא מספיק להתקרר עד שמונחת עליו השכבה הבאה והוא יתעוות בקלות במהלך ההדפסה. על מנת למנוע את זה, ניתן להשהות את הנחת השכבה הבאה עד לקירור השכבה הנוכחית, או להדפיס את החלק באורינטציה שתבטיח שזמן הדפסה של כל שכבה יהיה מספיק ארוך על מנת שהיא תתקרר לפני הנחת השכבה הבאה.

הברגות, חורים ואמצעי חיבור יש לתכנן בקפידה. במידה ואלה עדינים וקטנים – יש לשקול אפשרות של ייצורם לאחר גמר ההדפסה (קדיחה והברזה של חורים והברגות עדינים, הדבקה של פיני חיבור עדינים וכו')

בהדפסת SLA, אם התכנון כולל קירות דקים, יש לשים לב האם הקירות הללו נתמכים משני הצדדים או לא. קירות ללא תמיכות משני צדדים יכולים להתעוות בקלות, ויש לתכננם עם עובי דופן גדול מספיק על מנת שלא יתעוותו בזמן ההדפסה (מינימום 0.6 מ"מ הוא כלל האצבע לקירות לא תמוכים). חורים בגודל של פחות מ 0.5 מ"מ עלולים להיסתם בזמן ההדפסה, ועל כן יש לקחת זאת בחשבון ולתכנן את החלק כך שיתאים לעיבוד משלים בגמר ההדפסה.

 

התכווצות

 

לחומרים פלסטיים שונים, אחוז התכווצות שונה בזמן ההתמצקות שלהם. התכווצות של חלקי פלסטיק בעת ייצורם מציגה בעיות רבות בכל טכנולוגיות הייצור של חלקי פלסטיק, בעיות אלה יכולות לבוא לידי ביטוי ביתר שאת בטכנולוגית הדפסה של חומרים תרמופלסטיים, במיוחד בטכנולוגית FDM. כשהחומר מתחיל להתמצק, החלקים בחור שהתמצקו יירצו "למשוך" את החומר שמסביבם בגלל שהצפיפות שלהם יורדת. במידה והתכנון לקוי, ובחלק יש אזורים עבים (גושים של פלסטיק) ולידם אזורים דקים, החלק יעבור דפורמציה לא אחידה, ויתעוות. עיוותים גדולים יגרמו לחלק להתעוות בצורה לא אחידה, ויותר מכך, בזמן ההדפסה עיוותים כאלה יוכלו לגרום לחלק להתרומם ממשטח ההדפסה, ולגרום להדפסה להיכשל.

תכנון לא נכון של חלק פלסטי, עם "גוש" חומר במרכז ועוביי דופן משתנים, שיגרום להתכווצות לא אחידה

 

 תכנון נכון של חלק פלסטי, עם עוביי דופן קבועים, ההתכווצות תהיה אחידה ולא תגרום לעיוותים

 

בטכנולוגית SLS התכווצות לא אחידה פחות מסכנת את תהליך ההדפסה, אבל היא יכולה עדיין לגרום לחלק להתעוות, מה שיגרום בסופו של דבר לקבלת חלק שלא עומד בדרישות הגאומטריות' י שצורך לשים לב שבזמן תכנון חלק לא יהיו מעברים חדשים בין אזורים בעלי עובי דק מאוד לאזור בעלי עובי גדול.

יש חשיבות גדולה מאוד לאחידות החום בתהליך ההדפסה בSLS לכן מיקום החלק בזמן ההדפסה משפיע מאוד על צורת החלק הסופי ועל התכונות המכאניות שלו

בנוסף בגלל שכל תא ההדפסה מחומם יש חשיבות להדפסות קצרות יותר שכן כל תא ההדפסה הופך למסה תרמית גדולה מאוד דבר שיכול לגרום לעיוותים בהדפסה, קצב חימום וקירור איטיים יכולים לתת מענה לחלק מבעיות של עיוותים תרמיים בזמן ההדפסה.

כאשר מדפיסים בSLS חלקי שעווה הם צריכים לעבוד הרטבה בשעווה מסוג שונה לאחר ההדפסה, החלק הירוק המתקבל ישירות לאחר ההדפסה הוא פריך מאוד, תכנון שלא מתחשב בביעה הזו לא יוכל להפיק הדפסת שעווה מוצלחת, כמו כן כדאי מאוד לחשוב על כל הפעולות של לאחר ההדפסה (גם בשעווה וגם בניילון) כמו הניקיון של החלק עצמו, אמנם ניתן להדפיס פיצ'רים דקים מאוד אולם לא תמיד ניתן יהיה לנקות את אותם פיצ'רים או שיהיה צורך בהשקעה מרובה לצורך הניקיון.

 

 

הברגות וחיבורים מכניים

 

הברגות

 

פלסטיק באופן כללי אינו חומר מומלץ לייצור הברגות. הדפסות תלת מימד מוסיפות נדבך נוסף המקשה על שימוש בהברגות פלסטיק, כתלות בטכנולוגיה. בטכנולוגית FDM ו SLS, הברגות קטנות לא יודפסו כראוי בגלל מגבלת רזולוציה, ואילו בהדפסות SLA ו MJP, ההברגות יהיו עדינות ופריכות יחסית. על כן מומלץ למצוא פתרונות אחרים בבואנו לתכנן הברגות בהדפסה תלת מימדית.

בכל טכנולוגיות ההדפסה, יש עדיפות לשימוש באינסרטים מתכתיים המוחדרים בחום או בלחץ (כתלות בטכנולוגית ההדפסה) על מנת לייצר הברגות רובסטיות. יש לתכנן הכנות לאינסרטים אלו לפי מפרט יצרן האינסרטים, ולתכנן מראש את החלק על מנת שיהיה קל להחדיר את האינסרט כתלות בטכנולוגיית ההדפסה והאינסרט (החדרה בחום או החדרה בלחץ).

 

 

אינסרט להחדרה בחום / אולטרסונית

 

בהדפסות FDM ו SLS, ישנה אפשרות ליצירת הברגות באמצעות מברז לאחר סיום ההדפסה, אך תהליך זה אינו מומלץ בגלל שרידות ההברגות בפלסטיק (במיוחד בהדפסות FDM).

 

חיבור באמצעות ריתוך

 

חומרים תרמופלסטיים (שבהם נעשה שימוש בהדפסות FDM ו SLS) ניתנים לחיבור ע"י ריתוך (חיבור בחימום של שני חלקים המיוצרים מאותו חומר). ניתן לחבר בריתוך על ידי חימום מקומי וחיבור, או על ידי spin welding – שימוש בחוט דק העשוי מאותו חומר גלם, כאשר מסובבים אותו במהירות גבוהה, ומבאים אותו במגע עם החלקים שאותם אנחנו מעוניינים לחבר, הוא מותך וגם מתיך אזור קטן בחלקים המחוברים, וכך נוצר חיבור מכני וכימי חזק. ניתן לרתך חומרים תרמופלסטיים גם באמצעות מלחם וחוט של חומר גלם, ריתוך כזה פחות יעיל מכיוון שהוא מתיך את החומר רק באופן מקומי ולא חודר לעומק הרכיבים המרותכים. כשאנו באים לתכנן חלקים שיחוברו לאחר ההדפסה באמצעות ריתוך, יש לייצר משטחי מגע גדולים ורחבים ככל האפשר, עם עדיפות לייצר של משטחי חיבור צורתיים (כגון dove tail) על מנת להקל על החיבור ולחזק אותו.

Share on Facebook
Share on Twitter
Please reload

Featured Posts

I'm busy working on my blog posts. Watch this space!

Please reload

Recent Posts